数控加工仿真系统研究发展趋势研究
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李洋?王俊杰
摘 要：数控加工仿真和优化软件，基本取代了传统的切削试验方式，通过模拟仿真整个机床加工过程、校验加工程序的正确性，对发现程序错误和改进加工工艺有很大帮助。提高加工仿真软件的应用技术水平将对我国数控加工质量和效率的提高有很大帮助。本文重点就数控加工仿真系统的发展趋势行进了研究和探讨。
关键词：数控加工；仿真系统；发展趋势
数控仿真提供了一种快速验证数控程序的方法，目前世界各国的数控技术都正向提高模型的精确度、仿真计算实时化，以及改善图形显示的真实感的方向发展。几何仿真和物理仿真相结合将获得更精确的模型，是日前国内急需解决的课题。物理仿真与几何仿真的集成是未来数控加工发展的必然趋势。通过物理仿真与几何仿真的集成，在进行数控加工过程几何仿真的同时，显示和预测加工过程中物理量的变化，对于工艺人员和生产者更好地了解、指导和控制加工过程将有着非常重要的意义。
1.数控加工仿真软件的种类分析
数控加工仿真软件是在计算机上构建部分或全部加工环境，模拟仿真加工工艺过程，实现可视化数控程序运行、验证、分析、优化的过程。仿真软件是目前应用最广泛且效果最好的，且实现商品化。它利用计算机技术对加工过程进行动态模拟仿真，模拟数控机床各坐标轴的运动、刀具运动轨迹和刀具对毛坯的切削过程，最终得到仿真加工完成后零件的三维实体模型。几何仿真不仅能够校验数控程序的正确性和切削参数的合理性、评估数控切削加效果、验证后置处理程序，而且还可以发现刀具与工件、夹具、机床之间的干涉和碰撞，判断工艺的合理性，实现在虚拟加工环境下评估数控加工程序和工艺过程的目的，同时也能观察到加工过程中的冗余动作或不合理动作，有助于优化数控程序、节省程序调试时间、减少毛坯材料，缩短机床加工时间，对降低加工成本、提高数控加工效率有很大的帮助。对切削过程中的振动、切削力、刀具磨损、切屑形成、工件变形、切削温度、材料性能等方面的仿真属于物理仿真，通常采用有限元分析技术。国内开发的一些加工仿真软件，具有真实感的三维数控机床和操作面板，可以实现对数控铣和数控车加工全过程的仿真，其中包括毛坯定义与夹具，刀具定义与选用，零件基准测量和没置，数控程序输入、编辑和调试，加工仿真以及各种错误的检测功能，用于产品演示、培训，可用＂虚拟设备＂来增加员工的操作熟练程度。
2.数控加工仿真系统存在的问题
机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、钳、磨、镗等多种加工形式且加工机理复杂，不同的切削方式和刀具形状，其切削机理及建模方法有较大的差别，因此现阶段仿真的内容和方法均局限在很窄的范围内，主要集中于车、铣两种。即使在这两种加工方法上，仿真的内容也很有限。国内外一些优秀的仿真软件均利用扩展Z缓冲区的Dexel法克服复杂的布尔集合运算，没有任何实体空间描述，因而图形生成质量较差。同时为了保证图形生成速度的实时性，其图形显示生成算法大多没有建立光照模型或只模拟最简单的平行光，致使图形生成方式为区域填充或渐变色，不符合光学原理；仿真场景中三维实体的视屏投影常采用平行投影，不符合透视学原理，使得仿真环境不能表现粗、精加工时主轴转速的变化及工件表面纹理形态，生成与实际形态不一致的切削模型。加工过程常常涉及较多的干扰因素，因此在建模的过程中如何处理这些干扰因素，使得所建模型一方面能够正确反映实际的加工情况，另一方面又能反映干扰因素的变化对加工精度的影响成为物理仿真建模的关键。同时，建模过程中，涉及大量参数和数据，这些都加大建模的难度；目前的物理仿真系统大多数是针对某一特定的加工方式或某一特定的因素而建立的，机床类型、加工方式、刀具种类、切削参数及工件材料都事先做好规定，当某一参数发生变化时，模型往往需要进行很大的修改或重新建模，这就使得模型的应用范围受到限制，模型的通用性较差；在建立物理仿真系统过程中通常引入大量的假设，如设定工艺系统刚性满足要求，工件材料均匀分布，切削参数不发生变化等。这些假设削弱了仿真系统与实际的拟合程度，不符合实际加工情况。从而导致仿真结果与实际情况不相符，严重时仿真结果失真。
3.数控加工仿真系统的发展趋势
由于数控仿真中需要进行大量的三维实体布尔运算，属于计算密集型算法，单台计算机没有如此高的能力，要想基于实体造型的仿真达到实用要求，人们需要采用新兴的网格技术，使数控加工仿真系统具有高性能的计算特性。在对物理仿真的过程中。由于加工过程的复杂性和加工形式的多样性。并没有过于完善的研究，商用软件中的仿真也并没有专门的模块，只是有限元的运用。物理仿真的研究相对于工程实际的需要还远远不够；对物理仿真的研究还有很大的空间。未来，物理仿真的研究重点应集中于以下几个方面。能够控制不同的仿真软件运行的仿真控制平台的开发，目前物理仿真使用的软件在一定程度上都能较好地反应加工过程中的某些物理因素及其变化情况。但若要全面仿真加工过程，单纯依靠一、两种软件还远远不够，必须充分利用现有的物理仿真软件。构建一个仿真平台来全面控制这些仿真软件的运行，全面仿真数控加工过程，这是物理仿真研究进一步发展必须要解决的问题。仿真建模理论和生产实际需要相结合目前很多研究者都建立了切削加工物理仿真的理论模型，但有些模型和生产实际的需要还有一定的差距，将理论模型和生产实际结合是未来仿真研究的发展方向。全面反映加工精度的质量仿真模型和全面反映加工过程的仿真预测模刑将是下一步研究的重点内容。
4.结束语
虚拟制造技术是世界制造业的梦想，是二十一世纪制造业发展的方向，是制造业信息化的重要组成部分。数控加工仿真系统是实现虚拟制造的关键，由于数控加工仿真系统出现的时间较短，至今仍存在着若干问题亟待解决，随着研究的不断深入，数控加工仿真系统将会朝着面向多种加工方式和更加符合实际工况的方向发展。
参考文献：
[1]李充宁数控加工仿真技术发展分析[J].中国新技术新产品， 2014
[2]王文理数控加工仿真软件的应用及发展趋势[J].航空制造技术，2013